DE212004000019U1

DE212004000019U1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE212004000019U1
Application number: DE212004000019U
Authority: DE
Original assignee: EDC Automotive LLC
Current assignee: EDC Automotive LLC
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2014-02-12
Also published as: WO2004093519A3; WO2004093519A2; US20080173428A1; US20040173341A1; JP2006522311A

Abstract

Ölkühler für ein Fahrzeug, wobei der Ölkühler einen Flüssigkeits-Eingangstank, einen Flüssigkeits-Ausgangstank und eine Vielzahl von Wärmeübertragungs-Rohren umfasst, die in einer ersten Richtung verlaufen und den Eingangstank mit dem Ausgangstank verbinden, und wobei die Verbesserung Folgendes beinhaltet:
wobei die Wärmeübertragungs-Rohre Windungen umfassen, um im Wesentlichen das gesamte Öl zu veranlassen, seine Strömungsrichtung wiederholt zu ändern, wobei benachbarte Wärmeübertragungs-Rohre die dazwischenliegenden Strömungswege bestimmen, um einen Fluss eines Kühlmittels neben den Wärmeübertragungs-Rohren in einer allgemein parallel zur ersten Richtung verlaufenden Richtung zu ermöglichen.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine internationale Anmeldung nach dem Patentzusammenarbeitsvertrag (PCT) der US-Patentanmeldung Nr. 10/404,015, eingereicht am 31. März 2003, und sie beansprucht die Prioritätsvorteile der am 25. April 2002 eingereichten US-Hilfsanmeldung Nr. 60/375920. Auf die Offenbarungen dieser Anmeldungen wird in diesem Dokument Bezug genommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung behandelt Wärmetauscher zum Kühlen von Flüssigkeiten, die in Gerätschaften und Fahrzeugen wie Maschinen, Kraftübertragungen und sonstigen kraftrelevanten Einrichtungen zum Schmieren von Komponenten und/oder zur Kraftübertragung verwendet wird.
HINTERGRUNDTECHNIK
Bei vielen industriellen Anwendungen ist es erforderlich, in Maschinen und Gerätschaften verwendete Flüssigkeiten zu kühlen. Beispielsweise ist es in der Automobilindustrie erforderlich, das in Automatikgetrieben verwendete Öl zu kühlen. Das Automatikgetriebe-Öl (ATF) erreicht beim Betrieb des Getriebes hohe Temperaturen. Diese hohen Temperaturen müssen reduziert werden, um den Ausfall der Flüssigkeit zu verhindern. Zu diesem Zweck wird gewöhnlich eine als Getriebeöl-Kühler bezeichnete Einrichtung verwendet.
Mit Bezug auf die vereinfachte Darstellung des bisherigen Stands der Technik in 1 ist ein Wärmetauscher in Form eines typischen Getriebekühlers 3 in einer Automobilanwendung dargestellt. Die als Beispiel dargestellte Anwendung ist so wiedergegeben, dass allgemein eine Maschine 4 und ein Getriebe 5 enthalten ist. Der Ölkühler 3 ist normalerweise in einem der Tanks 2 eines Kühlkörpers 1 radial angeordnet. Die Kühlflüssigkeit in den Tanks 2 wird als Kühlmittel für den Ölkühler 3 verwendet, da die Öltemperatur, wenngleich die Kühlflüssigkeit selbst relativ heiß ist, wesentlich höher ist. Der Temperaturunterschied zwischen der Kühlflüssigkeit im Kühlkörper-Tank 2 und dem Öl im Ölkühler 3 wird zum Kühlen des Öls verwendet. Das Öl zirkuliert durch Hydraulikleitungen 6 zwischen dem Getriebe 5 und dem Ölkühler 3, und das Öl wird im Ölkühler 3 gekühlt.
2 zeigt einen typischen Getriebeöl-Kühler 3 ausführlicher. Der Ölkühler 3 ist im Tank 2 des Kühlkörpers 1 angeordnet. Dieser Typ eines Ölkühlers 3, der aus konzentrischen Messingrohren besteht, zwischen denen das Öl fließt, wird normalerweise mittels Hartlötung hergestellt, einem Hochtemperatur-Verfahren, das kostspielige Hartlötausrüstung und eine komplexe Verfahrenssteuerung erfordert. Das Ergebnis ist ein relativ kostspieliger und schwerer Ölkühler 3. 2A zeigt den Querschnitt des Ölkühlers 3.
3 zeigt einen moderneren Getriebeöl-Kühler 3'. Der Ölkühler 3' ist wiederum im Tank 2 des Kühlkörpers 1 angeordnet. Dieser Typ eines Ölkühlers 3' wird als Plattenkühler bezeichnet, da er im Wesentlichen aus mehreren flachen Platten besteht, zwischen denen das Öl fließt. Platten-Ölkühler werden normalerweise unter Verwendung von Aluminiumstreifen hergestellt, die über ein Hartlötverfahren an ihrem Umfang miteinander verbunden werden. Die Verwendung von flachen Platten führt zu einer besseren Wärmetauschleistung als bei einem Kühler mit konzentrischen Rohren, doch das Ergebnis ist ein immer noch relativ kostspieliger und schwerer Ölkühler. Die sehr große Anzahl und Länge der Hartlötnähte schafft zahlreiche mögliche Ausfallzustände (Leckstellen), was einen potenziell negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit dieses Ölkühlers hat.
4 zeigt einen Maschinenöl-Kühler 7 zusätzlich zu dem zuvor dargestellten Getriebeöl-Kühler 3. Einige Fahrzeuge erfordern beide Ölkühler. Praktisch jedes Fahrzeug mit einem Automatikgetriebe erfordert einen Getriebeöl-Kühler, und viele leistungsstarke Maschinen bzw. Maschinen mit hoher Umdrehungszahl erfordern auch einen Maschinenöl-Kühler. Normalerweise haben die Maschinenöl- und die Getriebeöl-Kühler zwei getrennte unabhängige Kühlkreise. Das Maschinenöl, das durch den Maschinenöl-Kühler 7 zirkuliert, wird normalerweise gekühlt, indem der Ölkühler 7 in einem Gehäuse angebracht wird, das Kühlflüssigkeit enthält. Eine weitere (hier nicht dargestellte) Möglichkeit ist es, den Maschinenöl-Kühler in dem zweiten Kühlkörper-Tank anzubringen, der nicht vom Getriebeöl-Kühler belegt ist.
Während bereits bekannte Ölkühler für ihren vorgesehenen Zweck geeignet sein können, besteht bei der diesbezüglichen Technik weiterhin ein Bedarf an leichten, kostengünstigen, sehr zuverlässigen Wärmetauschern mit sehr effizienten Wärmetausch-Eigenschaften.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Wärmetauscher für Flüssigkeiten in Fahrzeugen oder anderen Gerätschaften bereit. Der Ölkühler enthält einen Öl-Eingangstank, einen Öl-Ausgangstank sowie eine Vielzahl von Wärmeübertragungs-Rohren, die den Eingangstank mit dem Ausgangstank verbinden, wobei die Rohre im Wesentlichen flache Formstücke sind. Eine Vielzahl von Vertiefungen kann auf wenigstens einer flachen Seite jedes Rohrs extrudiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zum Kühlen einer Maschinenflüssigkeit bereit. Das Verfahren umfasst das Extrudieren einer Vielzahl von Rohren mit ersten und zweiten flachen Seiten, das Hartlöten eines ersten Endes jedes Rohres an einen Flüssigkeits-Eingangstank und das Hartlöten eines zweiten Endes jedes Rohres an einen Flüssigkeits-Ausgangstank.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung sind aus der im Folgenden wiedergegebenen detaillierten Beschreibung zu erkennen. Es wird darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung mit spezifischen Beispielen, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, lediglich zum Zweck der Veranschaulichung dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken soll.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Getriebeöl-Kühlkreises nach dem bisherigen Stand der Technik.
2 ist eine als Teilschnitt wiedergegebene Ansicht eines Ölkühlers mit konzentrischen Rohren nach dem bisherigen Stand der Technik.
2A ist eine Querschnitts-Ansicht entlang der Linie 2A-2A in 2.
3 ist eine als Teilschnitt wiedergegebene Ansicht eines anderen, mit Platten konstruierten Ölkühlers nach dem bisherigen Stand der Technik.
4 ist eine schematische Darstellung von Maschinenöl- und Getriebeöl-Kühlkreisen nach dem bisherigen Stand der Technik.
5 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
6 ist eine seitliche Ansicht des in 5 dargestellten Ölkühlers.
6A ist eine Querschnittsansicht des in 6 dargestellten Ölkühlers entlang der Linie 6A-6A in 6.
7 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
8 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
9 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
10A ist eine Querschnittsansicht eines Rohrs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
10B ist eine Aufrissansicht des in 10A dargestellten Rohrs.
11A ist eine Querschnittsansicht eines Rohrs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
11B ist eine Aufrissansicht des in 11A dargestellten Rohrs.
12A ist eine Querschnittsansicht eines Rohrs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
12B ist eine Aufrissansicht des in 12A dargestellten Rohrs.
13 ist eine seitliche Ansicht eines Abschnitts eines Rohrs für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
13A ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 13A-13A in 13.
14 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
15 ist eine seitliche Ansicht des in 14 dargestellten Wärmetauschers.
16 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
17 ist eine seitliche Ansicht des in 16 dargestellten Wärmetauschers.
18 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen luftgekühlten Wärmetauschers.
19 ist eine seitliche Ansicht des in 18 dargestellten Wärmetauschers.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Einsatzformen auf keine Weise einschränken.
Beginnend mit dem Bezug auf 5, 6 und 6A ist ein erfindungsgemäß hergestellter Wärmetauscher dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 angegeben. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist der Wärmetauscher 10 als Ölkühler wiedergegeben. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist es jedoch verständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht diesbezüglich eingeschränkt ist. Der Wärmetauscher 10 könnte beispielsweise auch als Kühleinrichtung in Wärmepumpen, in Kühlsystemen, in Verdichtern usw. eingesetzt werden.
Der Wärmetauscher 10 ist so dargestellt, dass er allgemein erste und zweite Endtanks 12 und 14 mit kreisförmigem Querschnitt umfasst. Einer der Tanks 12, 14 fungiert als Eingangstank, beispielsweise Tank 12, und der andere Tank, beispielsweise Tank 14, fungiert als Ausgangstank. Die Endtanks 12, 14 sind mit einer Vielzahl von Rohren 16 verbunden, die die Flüssigkeit, wie z.B. Öl oder eine andere Flüssigkeit oder Gas, vom Eingangstank 12 zum Ausgangstank 14 führen. Die Rohre 16 sind im Wesentlichen flach und nahtlos, und sie sind vorzugsweise aus Aluminium extrudiert. Die Verwendung von extrudierten Rohren 16 vereinfacht den Herstellungsprozess und reduziert oder eliminiert potenzielle Ausfallzustände, wie z.B. Leckstellen, die einen direkten Einfluss auf Zuverlässigkeit, Produktionskosten, Testkosten und Gewährleistungskosten haben. Insbesondere reduziert die Verwendung von extrudierten Rohren 16 deutlich die Notwendigkeit der Verbindung von Oberflächen mittels Hartlötung in einer wasserdichten und öldichten Weise. Da jede Verbindungsstelle in einem mit Druck beaufschlagten Wärmetauscher stets eine potenzielle Ausfallstelle ist, bedeutet die Beseitigung oder Verringerung der Anzahl von Verbindungsstellen einen wesentlichen Vorteil bezüglich der Zuverlässigkeit.
Die Enden der Tanks 12, 14 können mit einem Gewinde oder einer Anschlussart versehen sein, die die Verbindung mit den Hydraulikleitungen ermöglicht, die zum Öl (oder zu anderen Flüssigkeiten) führen. Der Wärmetauscher 10 kann so eingerichtet werden, dass er in ein Kühlmittel eingetaucht wird, z.B. in die Kühlflüssigkeit des Kühlkörpers, die üblicherweise eine Mischung aus 50 % Wasser und 50 % Glykol ist. Die Wärme des Öls wird durch die Oberflächen des Rohrs 16 zum Kühlmittel übertragen, sodass die Temperatur des aus dem Wärmetauscher 10 austretenden Öls deutlich geringer ist als die Temperatur des in den Wärmetauscher 10 strömenden Öls.
In der beispielhaften Darstellung in 5 ist der Wärmetauscher 10 so wiedergegeben, dass er fünf Rohre 16 enthält. Die Rohre 16 sind vorzugsweise mittels Hartlötung mit den Endtanks 12, 14 verbunden, wenngleich auch andere geeignete Verfahren zum Verbinden der Rohre 16 mit den Endtanks 12, 14 verwendet werden können. Der erste Endtank 12 definiert eine erste Öffnung 18 als Eingang des zu kühlenden Öls, und der zweite Endtank 14 definiert eine zweite Öffnung 20 als Ausgang.
Es ist verständlich, dass der Wärmetauscher 10 alternativ so konstruiert sein kann, dass er eine beliebige bestimmte Anzahl von Rohren 16 enthält. Die mehrfachen extrudierten Rohre 16 ermöglichen den Fluss des Öls von der Eingangsöffnung 18 zur Ausgangsöffnung 20, sodass die zurückgelegte Strecke des Öls zwischen den Eingangs- und Ausgangsöffnungen 18, 20 ungefähr die Strecke zwischen den Eingangs- und Ausgangstanks 12, 14 ist, während die Wärmetauschfläche des Wärmetauschers 10 ungefähr gleich der Wärmetauschfläche eines Rohrs 16, multipliziert mit der Anzahl der in dem betreffenden Wärmetauscher 10 verwendeten Rohre 16, ist. Beispielsweise zeigt 7 einen Wärmetauscher 30, der dem Wärmetauscher 10 in 5 ähnlich ist, wobei aber drei Rohre 16 für Anwendungen verwendet werden, wenn weniger Wärmeübertragung erforderlich ist. 8 zeigt einen Wärmetauscher 32, der dem Wärmetauscher 10 in 5 ähnlich ist, wobei aber vier Rohre 16 verwendet werden. 9 zeigt einen Wärmetauscher 34, der dem Wärmetauscher 10 in 5 ähnlich ist, wobei aber sechs Rohre 16 für Anwendungen verwendet werden, die mehr Wärmeübertragung erfordern.
10A und 10B zeigen Schnittansichten eines der Rohre 16. Das beispielhafte Rohr 16 in 10A enthält zwei Seitenwände 38 und innere Rippen 40, die die Seitenwände 38 verbinden. Die inneren Rippen 40 verstärken das Rohr 16, um die Anforderungen eines Tests mit hohem Druck mit typischerweise zirka 500 psi (etwa 3,4 MPa) zu erfüllen, den der Wärmetauscher 10 zur Validierung bestehen muss.
11A und 11B zeigen Schnittansichten einer weiteren Gestaltung des Rohrs 16. Bei dieser Gestaltung hat das Rohr 16 über die gesamte Breite des Rohrs 16 Kerben 44. Die Kerben sind alternativ an beiden Seitenwänden 38 des Rohrs 16 beabstandet. An jeder Kerbe 44 kommt es zu Wirbelströmungen des Flusses durch die Rohre 16, wodurch die Wärmeübertragung erhöht wird.
12A und 12B zeigen Schnittansichten von noch einer weiteren Gestaltung des Rohrs 16. Vertiefungen 46 sind an beiden Seitenwänden 38 der Rohre 16 alternativ ausgebildet. Die Vertiefungen 16 können eine nach Belieben runde, ovale oder sonstige Form haben. Die Wirbelströmung des Flusses durch die Rohre 16 tritt bei jeder Vertiefung 46 auf, wodurch sich die Wärmeübertragungs-Kapazität der Rohre 16 erhöht.
13 und 13A zeigen Schnittansichten einer weiteren Gestaltung der Rohre. Bei dieser Gestaltung sind Vertiefungen 46 in einer der Seitenwände 38 des Rohrs 16 in einer versetzten oder zickzackförmigen Weise ausgebildet, während die gegenüberliegende Seitenwand 38 keine Vertiefungen 46 aufweist. Die Vertiefungen bewirken eine weitere Erhöhung der Wärmeübertragungs-Kapazität der Rohre 16.
In 14 und 15 ist eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers 50 dargestellt. Der Wärmetauscher 50 hat Endtanks 12, 14 mit rundem oder kreisförmigem Querschnitt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform enthält der Wärmetauscher 50 eine Vielzahl von Rohren 16, die in einer verschlungenen Form ausgebildet sind. Die Windungen 51 sind als Biegungen um ungefähr 90 Grad ausgebildet oder als Windungen mit einem anderen geeigneten Winkel oder einer anderen geeigneten Form, um das Öl zu veranlassen, wiederholt seine Strömungsrichtung zu ändern, sodass die Wirbelströmung und die Wärmeübertragung zunehmen. Dementsprechend ergeben die mehrfachen Richtungsänderungen jedes Rohrs 16 eine gute Wirbelströmung für effiziente Wärmeübertragung. Jedes Rohr 16 kann in den Durchgängen des Rohrs 16 auch Turbulatoren 49 enthalten. Diese Turbulatoren 49 können beispielsweise gebogener Draht oder gebogene Metallstreifen oder -platten oder sonstige, im Fachgebiet bereits bekannte Turbulatoren sein.
In 16 und 17 ist ein Wärmetauscher 52 dargestellt, dessen Konstruktion dem in 14 und 15 wiedergegebenen Wärmetauscher 50 ähnlich ist. Der Wärmetauscher 52 ist so konstruiert, dass er erste und zweite Endtanks 54 und 56 mit rechteckigem Querschnitt enthält. Andere Formen der Tanks 54, 56 sind möglich, wie z.B. Tanks mit ovalem, quadratischem, vieleckigem und gerundetem Querschnitt usw., ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In 18 und 19 ist ein luftgekühlter Wärmetauscher 60 dargestellt. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Wärmetauschern 10, 30, 32, 34, 50 und 52 ist der Wärmetauscher 60 nicht in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht, sondern er gibt die Wärme ähnlich wie ein üblicher Kühlkörper für Maschinen in die Umgebungsluft ab. Der Wärmetauscher 60 enthält zwischen den Rohren 16 angebrachte Kühlrippen 62, um eine zusätzliche Kühlfläche bereitzustellen. Die Rohre 16 können mittels Klammern oder sonstiger Mittel zusammengeschlossen oder auf andere Weise eng miteinander verbunden sein, um einen engen Kontakt zwischen den Kühlrippen 62 und den Rohr-Oberflächen für eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die Endtanks 12 und 14 sind mit runder Form dargestellt; sie können bei Bedarf aber auch eine rechteckige, ovale oder beliebige andere Form haben.
Die vorliegende Erfindung ist ohne diesbezügliche Einschränkung anwendbar auf das Gebiet des Kühlens von Getriebeöl und/oder Maschinenöl bei Automobilanwendungen. Zahlreiche weitere Anwendungen bestehen in unterschiedlichen Bereichen wie Eisenbahnen, Schiffen, Luftfahrzeugen, Werkzeugmaschinen, Einrichtungen zur Stromerzeugung und sonstigen Bereichen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Durchbruch in der Herstellung von Wärmetauschern dar, mit einer wesentlichen Reduzierung der Kosten und des Gewichts sowie mit einer wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit. Statt wie bei herkömmlichen Ölkühlern mit Flachplatten potenzielle Leckstellen entlang der hartgelöteten Nähte jedes Rohrs zu haben, liegt die einzige potenzielle Leckstelle des erfindungsgemäßen Wärmetauschers an der Verbindung zwischen Rohr und Öffnung. Dies stellt eine wesentliche Reduzierung der potenziellen Ausfallzustände dar. Zusätzlich sind die erfindungsgemäßen Wärmetauscher leicht, kostengünstig und sehr zuverlässig, und sie haben sehr effiziente Wärmeübertragungs-Eigenschaften.
Die Beschreibung der Erfindung ist rein exemplarischer Natur, und Abänderungen, die nicht vom Wesentlichen der Erfindung abweichen, sollen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung sein. Derartige Abänderungen sollen nicht als Abweichung vom Umfang und Schutzbereich der Erfindung gelten.

Claims

Ölkühler für ein Fahrzeug, wobei der Ölkühler einen Flüssigkeits-Eingangstank, einen Flüssigkeits-Ausgangstank und eine Vielzahl von Wärmeübertragungs-Rohren umfasst, die in einer ersten Richtung verlaufen und den Eingangstank mit dem Ausgangstank verbinden, und wobei die Verbesserung Folgendes beinhaltet: wobei die Wärmeübertragungs-Rohre Windungen umfassen, um im Wesentlichen das gesamte Öl zu veranlassen, seine Strömungsrichtung wiederholt zu ändern, wobei benachbarte Wärmeübertragungs-Rohre die dazwischenliegenden Strömungswege bestimmen, um einen Fluss eines Kühlmittels neben den Wärmeübertragungs-Rohren in einer allgemein parallel zur ersten Richtung verlaufenden Richtung zu ermöglichen.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel Wasser ist.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Rohre mittels Hartlöten mit dem Eingangs- und dem Ausgangstank verbunden sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Rohre aus Aluminium extrudiert sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Rohre nahtlos sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Rohre im Wesentlichen flache Formstücke sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Vertiefungen durch verwinkelte Krümmungen in den Rohren ausgebildet sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Rohre der Vielzahl von Rohren allgemein parallel zueinander verlaufen.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die verwinkelten Krümmungen Winkel von ungefähr 90 Grad sind.
Ölkühler für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei benachbarte Rohre der Vielzahl von Rohren voneinander beabstandet sind und dazwischen im Wesentlichen über ihre gesamte Länge unterbrechungsfreie Strömungswege der Flüssigkeit definieren.